專利名稱：基于雙波長激光管相位測量的校準裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光電測距領域，尤其涉及基于雙波長激光管相位測量的校準裝置。
背景技術：
激光一直是人類引以驕傲的實用新型，它具有精確、快捷、使用方便、抗干擾性強等特點，由此發(fā)展的激光技術更是解決了許多傳統(tǒng)技術無法解決的技術障礙，而利用激光技術和電子技術集合而成的激光測距儀，在長度、高度、距離、速度、外形等領域愈發(fā)受到民用、軍用和工業(yè)等行業(yè)的重視，在國外已經(jīng)被廣泛應用于以下領域各大工礦企業(yè)，電力石化，水利，通訊，環(huán)境，建筑，地質(zhì)，警務，消防，爆破，航海，鐵路，反恐/軍事，科研機構，農(nóng) 業(yè)，林業(yè)，房地產(chǎn)，休閑/戶外運動.......基于測相位差原理的激光測距裝置是用調(diào)制的激光光束照射被測目標，光束經(jīng)被測目標反射后折回，將光束往返過程產(chǎn)生的相位變化，換算成被測目標的距離，應用于短距離高精度的距離測量，其測量的準確性和精度受裝置內(nèi)部零部件特性的影響。激光測距儀器的精度要求越高，其電路的復雜度與精密器件的需求量就大大提高。因此環(huán)境因素，例如溫度以及器件使用壽命對器件性能的影響，導致器件產(chǎn)生的相位漂移不可忽視?，F(xiàn)有技術多利用內(nèi)外光路的相位差補償原理消除電路系統(tǒng)的附加相移，確保測量數(shù)據(jù)不受外界環(huán)境因素的影響。消除附加相移的相位差補償原理，簡述如下設測距信號先后經(jīng)內(nèi)光路和外光路行程所遲后的相位差各為Ψ #和Ψ外，Λ Ψ為儀器內(nèi)部信號發(fā)生器件產(chǎn)生的電子信號在電路傳送和光電轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的附加相移，則內(nèi)、外光路測距信號e @和e#在鑒相器中對比相結果為Φ 內(nèi)=Ψ 內(nèi)+ ΛΨΦ 外=Ψ 外+ ΛΨ上式中，Δ Ψ隨儀器在不同環(huán)境而而產(chǎn)生工作狀態(tài)的變化，為隨機相移，無法通過精確計算求解，所以在測距時，交替使用內(nèi)、外光路進行測相，在交替過程的短時間內(nèi)，可以認為附加相移沒有變化，于是取內(nèi)、外光路比相結果的差值作為測量結果，即φ = φ 外一φ 內(nèi)=Ψ 外一Ψ 內(nèi)以上結果Φ已經(jīng)消除了附加相移不穩(wěn)定的影響，從而保證了測距的精度?，F(xiàn)有技術采用如下的校準方法(I)單發(fā)單收系統(tǒng)，即單路發(fā)送光束單路接收光路信號，通過一個可控制的機械裝置實現(xiàn)內(nèi)外光路的切換，通過計算切換前后內(nèi)外光路的相位值進行相位校正，消除環(huán)境不確定相位干擾。由于采用物理機械開關，機械響應時間長(一般為數(shù)百毫秒級別)，不可實時校準，且結構相對復雜，容易產(chǎn)生機械磨損和故障，使用壽命短，不適合作為工業(yè)精密儀器使用。(2)單發(fā)雙收系統(tǒng)，即單路發(fā)射光束并通過雙路分別接收內(nèi)、外光路信號，兩路接收信號分別進行處理并計算其相位差，從而消除環(huán)境不確定相位干擾。該系統(tǒng)采用兩個雪崩二極管(Avalanche Photo Diode, APD)分別接收內(nèi)外光路信號，由于APD價格昂貴(目前，一般為10美金以上)，使用兩個APD不僅成本高，而且雙路放大電路容易產(chǎn)生同頻干擾。(3)傳統(tǒng)雙發(fā)單收系統(tǒng)，即雙路獨立發(fā)射同一波長光束并通過接收裝置分別先后接收內(nèi)、外光路信號，兩路接收信號分別進行處理并計算其相位差，從而消除環(huán)境不確定相位干擾。該系統(tǒng)采用兩個獨立的光電發(fā)生裝置分別發(fā)生兩路相同波長的光波信號，而由于兩路光電發(fā)生裝置，特別是激光管，在工作時由于內(nèi)外光路工作時間不同且兩個激光性能差異極容易產(chǎn)生不同溫度漂移無法用上述原理進行消除，從而產(chǎn)生測量距離的漂移。綜上所述，以上三種解決方案在實際應用中均存在缺陷。

實用新型內(nèi)容本實用新型實施例的目的在于提供一種相位測量的校準裝置，基于傳統(tǒng)雙發(fā)單收系統(tǒng)，采用了不同波長且發(fā)光芯片于一體的雙波長激光管，旨在解決現(xiàn)有技術中雙路獨立同波長激光管無法完全校準溫度帶來的相位漂移的問題。 本實用新型實施例是這樣實現(xiàn)的，本實用新型實施例提供一種基于雙波長激光管相位測量的校準裝置，所述裝置包括一光波發(fā)射裝置，用于發(fā)射雙波長光路信號，此光波信號具有穩(wěn)定的頻率、相位和幅度，所述光波發(fā)射裝置為發(fā)射波長不同的雙波長激光管或其他具備二個波長的光波發(fā)射裝置；光電轉(zhuǎn)換裝置，用于分別接收所述由被測目標反射折回的所述外光路和經(jīng)第二濾光片所述內(nèi)光路信號；濾光片，用于導通和截止所述外光路和內(nèi)光路的光路信號，同時能反射外光路光波至內(nèi)光路，所述濾光片為光學玻璃鍍膜、光學塑料鍍膜或其他具備上述功能有色光學元件；鑒相器，用于分別接收所述光電轉(zhuǎn)換裝置輸出的信號，并將分別先后將兩路信號進行相位比較輸出消除基底參考的相位信號。混頻器，用于將所述光電轉(zhuǎn)換裝置輸出的兩路信號分別先后與同一混頻信號進行混頻并放大后輸出至所述鑒相器。所述光電轉(zhuǎn)換裝置和所述混頻器包含于一接收裝置內(nèi)，所述接收裝置為光電二極管、光電三極管、雪崩二極管或光電倍增管。振蕩器，用于產(chǎn)生并輸出所述高頻振蕩信號和所述混頻信號，所述振蕩器為晶振、鎖相環(huán)、倍頻器、分頻器或直接數(shù)字頻率合成器；放大裝置，用于接收所述光電轉(zhuǎn)換裝置的輸出信號進行放大并輸出。本實用新型實施例的另一目的在于提供一種采用上述相位測量的校準裝置。本實用新型實施例提供了一種基于雙波長激光管的雙發(fā)單收雙光路相位測量的校準方法，采用雙路集成的光波發(fā)射裝置分別通過不同濾光片產(chǎn)生內(nèi)、外光路信號，再通過一個信號接收裝置分別接收內(nèi)光路信號和外光路信號的返回信號，然后兩信號進行相位比較得到相位差以實現(xiàn)相位補償和校準的目的，避免了環(huán)境變化在電路中引入不確定的相位噪音，提高了激光測距的測量精度，增加了系統(tǒng)的測距穩(wěn)定度，減少了環(huán)境因素對測距誤差的影響，降低了系統(tǒng)對元器件的性能要求，從而減低了系統(tǒng)的成本，加強了激光測距在各行業(yè)的應用。與傳統(tǒng)雙發(fā)單收系統(tǒng)不同，雙波長激光管采用集成方式將兩種波長不同的激光管發(fā)射芯片邦定在一顆激光管內(nèi)，所以兩個激光發(fā)射芯片具備相同的熱傳導和散熱特性，所以環(huán)境溫度和自發(fā)熱產(chǎn)生的溫度漂移為共模的；同時采用不同波長的光路發(fā)射系統(tǒng)和濾光片組有效分離了內(nèi)外光路，較傳統(tǒng)雙發(fā)單收方案在結構上不同位置或角度分別放置同一波長的激光管提高了系統(tǒng)的緊湊性且減少分散發(fā)射帶來的射頻串擾和干擾問題。

圖I是本實用新型實施例提供的相位測量的校準方法的實現(xiàn)流程圖；圖2是本實用新型實施例提供的采用雙波長激光管相位測量和校準裝置的系統(tǒng)框架圖；圖3是本實用新型第一實施例提供的相位測量的校準裝置的系統(tǒng)框架圖；圖4是本實用新型第二實施例提供的相位測量的校準裝置的系統(tǒng)框架圖； 圖5是本實用新型實施例提供的相位測量的校準裝置的結構圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。本實用新型實施例利用雙波長激光管的雙發(fā)單收雙光路相位測量的校準方法，采用一個光波發(fā)射裝置先后發(fā)出兩個波長不同光波通過相對應的濾光片分別產(chǎn)生內(nèi)、外光路信號，再通過一個信號接收裝置分別接收內(nèi)光路信號和外光路信號的返回信號，并對內(nèi)光路與外光路的返回信號進行相位比較，從而在消除附加相移，實現(xiàn)相位誤差的補償和校準的目的的同時避免傳統(tǒng)方法采用相同波長激光管獨立光路帶來的期間溫度漂移不一致和電磁干擾串擾等問題，優(yōu)化了測距裝置的結構，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。圖I示出了本實用新型實施例提供的相位測量的校準方法的實現(xiàn)流程，詳述如下在步驟SlOl中，一光波發(fā)射裝置發(fā)射第一波長光波通過第一濾光片至被測目標，所述光波被被測目標反射折回后被一接收裝置接收，其中，所述第一波長光波作為外光路信號由高頻振蕩信號調(diào)制生成；在步驟S102中，所述光波發(fā)射裝置發(fā)射第二波長光波通過第二濾光片至所述接收裝置，其中所述第二光波作為基底參考的內(nèi)光路信號由所述高頻振蕩信號調(diào)制生成；在步驟S103中，所述接收裝置將先后接收到的兩路所述光波進行相位比較，輸出消除基底的信號。在本實用新型實施例中，進行相位比較的兩路光波可以為與混頻信號進行混頻后的光波，其中與兩路光波進行混頻的混頻信號可以為同一高頻振蕩信號，也可為頻率相同，相位相同或具有固定相位差的兩路高頻振蕩信號。在本實用新型實施例中，上述兩路光波均為激光且波長不同。在本實用新型實施例中，接收裝置可以先接收第一光波，再接收第二光波；或先接收第二光波，再接收第一光波。作為本實用新型的一個實施例，接收裝置可以為光電二極管、光電三極管、APD、光電倍增管等具有光電轉(zhuǎn)換功能的裝置。[0042]圖2示出了本實用新型實施例提供的采用雙波長激光管雙發(fā)單收的相位測量的校準裝置的系統(tǒng)框架圖，為了便于說明，僅示出與本實用新型實施例相關的部分。一光波發(fā)射裝置201根據(jù)接收到的第一高頻振蕩信號調(diào)制生成一調(diào)制第一波長光波，并將所述光波通過第一濾光片202作為外光路信號發(fā)射至被測目標；同時所述光波被第一濾光片反射并被第二濾光片203截 止；然后光波發(fā)生裝置201發(fā)射第二波長光波通過第二濾光片203至光電轉(zhuǎn)換裝置204作為內(nèi)光路信號，同時第二波長光波被第一濾光片202截止。光電轉(zhuǎn)換裝置204對所述內(nèi)光路信號和外光路信號分別進行光電轉(zhuǎn)換并輸出。最后鑒相器205分別接收光電轉(zhuǎn)換裝置輸出的信號，并將兩路信號進行相位比較輸出消除基底的相位差信號。在本實用新型實施例中，光波發(fā)射裝置201包括時鐘發(fā)生器、調(diào)制驅(qū)動電路、發(fā)光裝置，其中發(fā)光裝置在驅(qū)動器的驅(qū)動下發(fā)射光波，該發(fā)光裝置可以為激光二極管(LaserDiode, LD)、發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)或其他的發(fā)光器件。作為本實用新型的一個實施例，光波發(fā)射裝置201可以為激光波發(fā)射裝置，如激光二極管，發(fā)射激光。在本實用新型實施例中，第一濾光片202與第二濾光片203均為光學器件，目的在于區(qū)分、導通或截止第一波長光波和第二波長光波，構建測距裝置的內(nèi)外裝置。該濾光片可以為光學玻璃鍍膜、光學塑料鍍膜或其他具備上述功能有色光學元件。在本實用新型實施例中，第一濾光片202與第二濾光片203與光電轉(zhuǎn)換裝置204對準，使光波直接入射到該光電轉(zhuǎn)換裝置204中；也可以在第二濾光片203與光電轉(zhuǎn)換裝置204之間設有反光鏡以改變光路，便于光電轉(zhuǎn)換裝置204接收；還可以在第二濾光片203與光電轉(zhuǎn)換裝置204之間連接有光信號傳輸線，該傳輸線可以為光纖、導光管。在本實用新型實施例中，光電轉(zhuǎn)換裝置204可以為光電二極管、光電三極管、APD、光電倍增管等光電轉(zhuǎn)換裝置。在本實用新型實施例中，光電轉(zhuǎn)換裝置204可以先接收外光路光波，再接收內(nèi)光路光波，或先接收內(nèi)光路光波，再接收外光路光波。圖3示出了本實用新型第一實施例提供的相位測量的校準裝置的系統(tǒng)框架圖，為了便于說明，僅示出與本實用新型實施例相關的部分，與圖2相比，本校準裝置包括振蕩器301、光波發(fā)射裝置302、第一濾光片303、第二濾光片304、光電轉(zhuǎn)換裝置305，以及高頻放大裝置306、混頻器307，低頻放大裝置308和鑒相器309用于信號調(diào)理和相位獲取。由振蕩器301產(chǎn)生同頻率同相位的第一高頻振蕩信號和第二高頻振蕩信號，光波發(fā)射裝置302接收來自振蕩器301的第一高頻振蕩信號、調(diào)制第一和第二波長光波，并發(fā)射作為光路信號；所述第一波長光波通過第一濾光片303至被測目標，被被測目標反射后折回，光電轉(zhuǎn)換裝置305接收返回的外光路信號，進行光電轉(zhuǎn)換后輸出電信號，輸出的電信號為高頻的電信號再由高頻放大裝置306進行放大并輸出，混頻器307接收來自放大裝置306的信號與振蕩器301輸出的第二高頻振蕩信號進行混頻，輸出混頻后的信號，所述混頻信號被低頻放大裝置308放大后進入鑒相器309。然后，所述第二波長光波被第一濾光片反射光波通過第二濾光片304作為內(nèi)光路信號的光波，如所述外光路信號流程，最后內(nèi)光路和外光路分別被鑒相器鑒相并輸出相位差信號。在本實用新型實施例中，振蕩器301可以為晶振、石英振蕩器、PLL(鎖相環(huán))、DDS (直接數(shù)字頻率合成器)或其他頻率發(fā)生器件和電路。[0052]在本實用新型實施例中，混頻器307可以為模擬乘法器、下變頻混頻器或其他電子混頻器和光電二極管、光電三極管、APD(雪崩二極管)、光電倍增管等具有混頻功能的光電混頻裝置。在本實用新型實施例中，光電轉(zhuǎn)換裝置305和混頻器307可以由一個接收裝置代替，該接收裝置可同時實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換裝置305和混頻器307的功能。作為本實用新型的一個實施例，接收裝置可以為光電二極管、光電三極管、APD、PMT(光電倍增管)等具有光電轉(zhuǎn)換功能的裝置。在本實用新型實施例中，高頻放大裝置306將接收的高頻電信號進行放大，價格昂貴，低頻放大裝置308將混頻后的低頻電信號進行放大，價格相對較低，如果電路的其他器件性能良好，高頻放大裝置306和低頻放大裝置308均可省略，或者省略其一。如果采用一個接收裝置代替光電轉(zhuǎn)換裝置305和混頻器307，那么高頻放大裝置306可以省略，然后可以在接收裝置305之后直接連接低頻電放大裝置308，成本較低。圖4是本實用新型第二實施例提供的相位測量的校準裝置的系統(tǒng)框架圖，為了便 于說明，僅示出與本實用新型實施例相關的部分，與圖3比較，本校準裝置包括振蕩器401、光波發(fā)射裝置402、第一濾光片403、第二濾光片404、低頻放大裝置406、鑒相器407，以及光電混頻裝置405，用于分別接收所述內(nèi)光路光波和由被測目標反射折回的所述外光路光波進行光電轉(zhuǎn)換，并分別與混頻信號進行混頻，并分別輸出混頻后的信號。在本實用新型實施例中，接收裝置405替代圖3中的光電轉(zhuǎn)換裝置305和混頻器306。圖5示出了本實用新型第一、二實施例提供的基于雙波長激光管相位測量和校準裝置的結構圖，鎖相環(huán)501和驅(qū)動電路502根據(jù)高頻振蕩信號驅(qū)動雙波長光波發(fā)射裝置503發(fā)射光波，所發(fā)射的第一波長光波被第一濾光片504透射作為外光路信號；然后雙波長光波發(fā)射裝置503所發(fā)射的第二波長光波被第一濾光片504反射后通過第二濾光片505作為內(nèi)光路信號。內(nèi)外光路分別被接收裝置507接收并通過偏置電路506和從所述鎖相環(huán)501輸出的高頻混頻信號進行光電轉(zhuǎn)換、混頻，并經(jīng)低頻放大器508放大后輸出到鑒相器509。所述鑒相器509將兩次接收到的信號進行相位比較最后輸出得到消除基底參考的相位。在本實用新型實施例中，雙波長光波發(fā)射裝置503發(fā)射光波通過第一濾光片504后與接收裝置507對準，使光波直接入射到接收裝置507中；也可以在第二濾光片505與接收裝置507之間設置反射鏡或反射鏡組510以改變光路，便于接收裝置507接收；還可以在第二濾光片505與接收裝置507之間安裝光信號傳輸線完成內(nèi)光路光信號傳輸，該傳輸線可以為光纖、光導管或其他光學通光元件。作為在本實用新型實施例，第一濾光片504可以設置在返回的外光路信號后，作為切換外光路信號的雙波長光波發(fā)射裝置503發(fā)射光波通過第一濾光片504后與接收裝置507對準，使光波直接入射到接收裝置507中；也可以在第二濾光片505與接收裝置507之間設置反射鏡或反射鏡組510以改變光路，便于接收裝置507接收；還可以在第二濾光片505與接收裝置507之間安裝光信號傳輸線完成內(nèi)光路光信號傳輸，該傳輸線可以為光纖、光導管或其他光學通光元件?，F(xiàn)有技術中采用一個光波發(fā)射裝置產(chǎn)生一路光波，需要利用光束轉(zhuǎn)換裝置改變光路，得到內(nèi)、外兩路光，光束轉(zhuǎn)換裝置的多次轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生機械負荷，機械磨損不可避免，且電路響應時間長，另外帶有光束轉(zhuǎn)換裝置必然導致電路復雜，體積大，成本高；對比于現(xiàn)有技術，在本實用新型實施例中，可以采用控制電路控制內(nèi)外光路的開關或切換，避免使用機械開關控制，且采用控制電路控制的響應時間快，接收內(nèi)外光路信號的間隔時間間小，切換間隔時間為毫秒級別，可認為電路切換期間的周圍環(huán)境不變，電路未受影響，不影響測量精度?，F(xiàn)有技術采用一個光波發(fā)射裝置產(chǎn)生一路光波，需要由分光透鏡同時產(chǎn)生內(nèi)外兩路光波，因此需采用雙APD (雪崩二極管)接收裝置接收同時傳輸?shù)墓獠ǎ捎贏PD浪費電路空間、且成本較本方案高20%以上。此外還有方案采用傳統(tǒng)雙發(fā)單收方式，即兩個獨立LD (激光管)發(fā)生兩路光波信號形成內(nèi)外光路并通過APD(雪崩二極管)分別接收所述信號達到消除基底信號的相位。所述方案在實施過程中，由于雙獨立LD在工作工程中，工作時間和工作環(huán)境不同而導致兩個LD的工作狀態(tài)不同而無法完全消除基底信號；此外由于LD器件離散性較大，不同管子之間的差異也直接造成較大誤差。相對比上述雙APD與雙LD方案，本實用新型實施例采用雙核封裝的單芯片雙波長激光管，通過內(nèi)外光路切換和兩個波長激光的校正完全消除APD和LD自身的共模影響，達到較所述雙APD與雙LD方案更高的精度。 綜上所述，本實用新型實施例提供了一種基于雙波長激光管的雙發(fā)射單光路接收的校準方法，采用兩個不同波長和相對應的兩個濾光片分別切換內(nèi)、夕卜光路信號，再通過一個信號接收裝置分別接收內(nèi)光路信號和外光路信號的返回信號，內(nèi)光路與外光路的返回信號進行光電轉(zhuǎn)換、混頻、放大和鑒相，輸出消除基底的信號從而避免了環(huán)境變化在電路中引入不確定的相位噪音，且由控制電路控制內(nèi)、外光路切換從而穩(wěn)定高速的實現(xiàn)相位誤差補償和校準的目的，減少了環(huán)境因素對測距誤差的影響，提高了激光測距的測量精度，增加了系統(tǒng)的測距穩(wěn)定度，降低了系統(tǒng)對元器件的性能要求，從而減低了系統(tǒng)的成本，加強了激光測距在各行業(yè)的應用。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權利要求1.一種基于雙波長激光管相位測量的校準裝置，其特征在于，所述裝置包括 一光波發(fā)射裝置，用于發(fā)射雙波長光路信號，此光波信號具有穩(wěn)定的頻率、相位和幅度，所述光波發(fā)射裝置為發(fā)射波長不同的雙波長激光管； 光電轉(zhuǎn)換裝置，用于分別接收所述由被測目標反射折回的所述外光路和經(jīng)第二濾光片所述內(nèi)光路信號； 濾光片，用于導通和截止所述外光路和內(nèi)光路的光路信號，同時能反射外光路光波至內(nèi)光路，所述濾光片為光學玻璃鍍膜、光學塑料鍍膜； 鑒相器，用于分別接收所述光電轉(zhuǎn)換裝置輸出的信號，并將分別先后將兩路信號進行相位比較輸出消除基底參考的相位信號。
2.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括 混頻器，用于將所述光電轉(zhuǎn)換裝置輸出的內(nèi)、外光路信號分別先后與同一混頻信號進行混頻并放大后輸出至所述鑒相器。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換裝置和所述混頻器包含于一接收裝置內(nèi)，所述接收裝置為光電二極管、光電三極管、雪崩二極管或光電倍增管。
4.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括 振蕩器，用于產(chǎn)生并輸出所述高頻振蕩信號和所述混頻信號，所述振蕩器為晶振、鎖相環(huán)、倍頻器、分頻器或直接數(shù)字頻率合成器； 放大裝置，用于接收所述光電轉(zhuǎn)換裝置的輸出信號進行放大并輸出。
專利摘要本實用新型適用于相位式光電測距領域，提供了一種基于雙波長激光管相位測量的校準裝置，一光波發(fā)射裝置；光電轉(zhuǎn)換裝置；濾光片和鑒相器。以及提供了一種包含校準裝置的測距裝置。本實用新型實現(xiàn)了相位補償和校準的目的，避免了環(huán)境變化在電路中引入不確定的相位噪音，提高了激光測距的測量精度，減少了環(huán)境因素對測距誤差的影響，降低了系統(tǒng)的成本，加強了相位式光電測距系統(tǒng)在各行業(yè)的應用。
文檔編號G01J9/00GK202649463SQ20122004279
公開日2013年1月2日 申請日期2012年2月10日 優(yōu)先權日2012年2月10日
發(fā)明者杜鑫, 喬佰文, 查曉怡 申請人:江蘇徠茲光電科技有限公司